Was ist lactose reduzierender Zucker
Die Frage, ob Laktose ein reduzierender Zucker ist, ist von Bedeutung, da sie Auswirkungen auf die Lebensmittelchemie, die menschliche Ernährung und die industrielle Verarbeitung von Milchprodukten hat. Dieser Artikel untersucht die chemische Struktur von Laktose, ihre Eigenschaften als Disaccharid und ihre Fähigkeit, als Reduktionsmittel zu wirken. Dabei werden sowohl die theoretischen Grundlagen als auch praktische Anwendungen und Implikationen berücksichtigt.
Grundlagen der Kohlenhydrate
Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und werden als Aldehyde oder Ketone von Polyalkoholen definiert. Ihre allgemeine Summenformel ist Cn(H2O)n. Die Basis aller Kohlenhydrate ist eine Monosaccharid-Einheit. Durch die Reaktion einer Hydroxylgruppe mit der Carbonylgruppe entsteht eine Ringstruktur. Alle liegen in wässriger Lösung in einem Gleichgewicht aus zyklischer und offenkettiger Form vor.
Monosaccharide: Bausteine der Kohlenhydrate
Monosaccharide, die eine Aldehydgruppe enthalten, werden als Aldosen bezeichnet, während solche mit einer Ketogruppe als Ketosen bekannt sind. Monosaccharide sind die Bausteine der reduzierenden Zucker. Man unterteilt sie in Abhängigkeit ihrer funktionellen Gruppen. Monosaccharide, die eine Aldehydgruppe enthalten, nennt man Aldosen. Enthalten Monosaccharide eine Ketogruppe, nennt man sie Ketosen. In wässriger Lösung liegen Monosaccharide in einem Gleichgewicht zwischen zyklischer und offenkettiger Form vor.
Disaccharide: Verknüpfung von Monosacchariden
Disaccharide entstehen durch die Kondensation von zwei Monosacchariden, wobei ein Wassermolekül abgespalten wird. Diese Verknüpfung wird als glykosidische Bindung bezeichnet. Die Verknüpfung von zwei Monosacchariden nennt man Kondensation. Dabei wird ein Wassermolekül frei. Es bildet sich ein Disaccharid - ein besonderes Glykosid.
Bei der Bildung der glykosidischen Bindung reagiert eine Hydroxy-Gruppe des Zuckers 1 mit dem halbacetalischen Kohlenstoffatom des Zuckers 2. Diese Reaktion ist vergleichbar mit der Bildung eines Vollacetals durch die Reaktion eines Halbacetals mit einem Alkohol.
Lesen Sie auch: Anleitung für laktosefreie Ganache
Typen von Disacchariden: Typ 1 (reduzierend) und Typ 2 (nichtreduzierend)
Für die reduzierenden Eigenschaften der Disaccharide ist die glykosidische Bindung zwischen zwei Monosacchariden ausschlaggebend. Wird die glykosidische Verbindung über die Kohlenstoffatome eins und vier aufgebaut, so spricht man von einem Disaccharid vom Typ 1. Entsteht die glykosidische Bindung aber beispielsweise über die Kohlenstoffatome eins und eins, sagt man Disaccharid vom Typ 2. Bei Disacchariden vom Typ 1 wird die glykosidische Bindung zwischen einem anomeren Kohlenstoffatom und einem anderen Kohlenstoffatom verwirklicht. Bei Disacchariden vom Typ 2 besteht die glykosidische Bindung zwischen 2 anomeren Kohlenstoffatomen.
Disaccharide werden in reduzierende und nichtreduzierende Zucker unterteilt. Diese Unterscheidung basiert auf der Art der glykosidischen Bindung und der Verfügbarkeit einer freien Aldehyd- oder Ketogruppe. Disaccharide vom Typ 1 wirken reduzierend. Disaccharide vom Typ 2 sind nichtreduzierend.
Was bedeutet "reduzierender Zucker"?
Ein Zucker wirkt reduzierend, wenn er in der Lage ist, andere Substanzen zu reduzieren, indem er Elektronen abgibt. Diese Fähigkeit hängt von der Anwesenheit einer freien Aldehyd- oder Ketogruppe ab, die oxidiert werden kann. Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren letzter (im Fall von Monosacchariden einziger) Glycosid-Rest, in Haworth-Schreibweise (Ringform) ein Halbacetal ist. Das Halbacetal als letzter Glycosidrest ist nötig, da nur so ein Teil des Zuckers offenkettig vorliegen kann. Damit reagieren diese Monosaccharide wie Glucose, Mannose oder Galactose positiv auf die Fehling-Probe oder Tollens-Probe.
Fast alle Monosaccharid-Aldosen liegen in Lösung vorwiegend als zyklische Halbacetalform vor, die keine freie Aldehydgruppe aufweist. Da die Ringbildung eine Gleichgewichtsreaktion ist, kommt auch ein geringer Prozentsatz der offenkettigen Form vor, die oxidiert werden kann. Die offenkettige Form wird durch die Oxidation verbraucht und ständig aus der zyklischen Form nachgeliefert.
Nachweis reduzierender Zucker
Reduzierende Zucker können durch Reaktionen mit oxidierenden Reagenzien wie der Fehlingschen Lösung oder dem Tollensreagenz nachgewiesen werden. Bei der Reaktion mit der Fehlingschen Lösung wird beispielsweise Cu2+ zu Cu+ reduziert, was zur Bildung von Kupfer(I)-oxid (Cu2O) führt, das als rotbrauner Niederschlag sichtbar ist. Disaccharide vom Typ 1 und Disaccharide vom Typ 2 unterscheiden sich hinsichtlich ihres Reaktionsvermögens mit oxidierenden Reagenzien wie zum Beispiel Tollensreagenz oder fehlingscher Lösung. Disaccharide vom Typ 1 werden oxidiert, während Disaccharide vom Typ 2 nicht reagieren.
Lesen Sie auch: Reduzierende Zucker nachweisen
Chemische Struktur der Laktose
Laktose, auch Milchzucker genannt, ist ein Disaccharid, das aus den Monosacchariden D-Galactose und D-Glucose besteht. Die Summenformel von Laktose ist C12H22O11. Laktose besteht aus jeweils einem Molekül Glucose und einem Molekül Galactose. In der Lactose liegt die Galactose als ß-Anomer vor. Galactose ist ein Epimer von Glucose.
Die Verknüpfung zwischen Galactose und Glucose erfolgt durch eine β-1,4-glykosidische Bindung. Bei den Disacchariden ist dies der Fall, wenn die Verknüpfung der zwei Monosaccharide über das anomere C-Atom (C1) des ersten Bausteins mit einer nicht anomeren alkoholischen Gruppe, etwa am C4-Atom des zweiten Monosaccharid-Bausteins geschieht. Es bildet sich am nicht reduzierenden Ende ein Acetal, während das anomere Zentrum des zweiten Bausteins als Halbacetal „frei bleibt“ und damit als reduzierendes Ende dient.
Mutarotation und offenkettige Formen
Die Laktose zeigt Mutarotation, da an der Ausbildung der glykosidischen Bindung jeweils nur die OH-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms eines Monosaccharids beteiligt ist. Da die OH-Gruppe des anderen anomeren Kohlenstoffatoms nicht durch eine glykosidische Bindung blockiert ist, können sich sowohl α- als auch β- und offenkettige Laktoseformen bilden. Alle Di- oder Oligosaccharide, welche reduzierend wirken, besitzen eine Aldose oder α-Hydroxyketose als letzten Glycosidrest. Bei der Laktose ist im ehemaligen Monosaccharid 1 das halbacetalische Kohlenstoffatom erhalten geblieben.
Laktose als reduzierender Zucker
Laktose ist ein reduzierender Zucker, da sie über ein freies anomeres Kohlenstoffatom in der Glucose-Einheit verfügt. Bei den Disacchariden ist die glykosidische Bindung zwischen einem anomeren Kohlenstoffatom und einem anderen Kohlenstoffatom ausschlaggebend. Zu diesen Zuckern gehören Maltose, Cellobiose und Lactose. Diese Zucker wirken reduzierend, da im ehemaligen Monosaccharid 1 das halbacetalische Kohlenstoffatom erhalten geblieben ist.
Im Gegensatz dazu ist Saccharose (Rohrzucker/Rübenzucker) kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
Lesen Sie auch: Laktose als reduzierender Zucker: Eine Analyse
Weitere Beispiele und Vergleich
- Maltose (Malzzucker) ist ein Baustein der Stärke und des Glykogens. Das Disaccharid ist aus zwei Glucosemolekülen zusammengesetzt. Diese sind über eine α-glykosidische Bindung der Kohlenstoffatome 1 und 4 miteinander verknüpft. Daher ist es ein Disaccharid vom Typ 1 und wirkt reduzierend.
- Cellobiose ist der Baustein der Cellulose. Anders als bei der Maltose gehen die beiden Glucosemoleküle statt der α-glykosidischen eine β-glykosidische Bindung ein. Bei der Cellobiose liegt dagegen eine ß-(1 -> 4)-glykosidische Bindung vor. Beim mikrobiologischen Abbau von Cellulose entsteht Cellobiose.
- Saccharose (auch Sucrose genannt) ist ein Beispiel für ein nichtreduzierendes Disaccharid.
Laktose in Milch und Lebensmittelpraxis
Laktose ist in Milch in einer Konzentration von etwa 4,5 bis 5 g/100 g vorhanden. Sie spielt eine wichtige Rolle bei Fermentationen, die in der Milch stattfinden. Lactose, auch Milchzucker genannt, ist ein Zucker, genau genommen ein Disaccharid oder Zweifachzucker. Der Brennwert von Lactose ist genauso hoch wie der von normalem Zucker, allerdings ist Lactose weniger süß. Die Lactase spaltet Lactose in Glucose und Galactose. Zur Herstellung unserer lactosefreien Produkte setzen wir der Milch ein Enzym, die Lactase, zu. Die Lactase nimmt den Prozess vorweg, der sonst im menschlichen Dünndarm stattfindet, sie spaltet Lactose in Glucose und Galactose. Der Gehalt an Zucker verändert sich dabei nicht. Allerdings ist die Süßkraft von Glucose und Galactose höher als die von Lactose (Süßkraft Glucose 0,69, Galactose 0,63). Deshalb schmeckt lactosefreie Milch süßer.
Laktoseintoleranz
Eine verminderte Produktion des Enzyms Lactase führt zu Laktoseintoleranz, bei der Laktose im Dünndarm nicht abgebaut wird und in den Dickdarm gelangt, wo sie von Bakterien vergoren wird.
Industrielle Nutzung und enzymatische Modifikation
Laktose wird in der Lebensmittelindustrie vielseitig eingesetzt. Lebensmittelhersteller nutzen Laktose, um einen cremigen Geschmack zu erzeugen, weshalb sie vielen Produkten zugesetzt wird. Die Spaltung der Laktose durch Reaktion mit dem Enzym β-Galactosidase und Wasser in die Einfachzucker Glucose und Galactose erhöht die Süßkraft und verbessert die Wasserlöslichkeit. Dieses Verfahren wird industriell angewendet, um den Zuckergehalt in Joghurt- und Milchmischerzeugnissen zu verringern.
Ein bi-enzymatisches Verfahren mit β-Galactosidase und Glucose-Isomerase kann die Süßkraft der Laktose weiter steigern, indem etwa die Hälfte der Glucose in Fructose umgewandelt wird. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Sauermilch- und Milchmischerzeugnissen mit einem reduzierten Gesamtzuckergehalt. Zunächst wurden die enzymtechnologischen Parameter erarbeitet, um einen möglichst effektiven Umsatz der Lactose in Galactose (50 Prozent), Glucose (25 Prozent) und Fructose (25 Prozent) zu erzielen. Nach dieser Anpassung wurden prozessoptimierte Joghurt- und Puddingprodukte im Technikum hergestellt. Dabei wurde die Lactosefraktion mit Membranfiltrationsverfahren aus Magermilch abgetrennt und enzymatisch so modifiziert, dass ein drei bis vier Mal so süßer Zuckersirup entstand. Alternativ wurde auch reine Lactose in bis zu 50 prozentiger Lösung als Substrat zur Enzymbehandlung eingesetzt. Nach Rückführung des Zuckersirups in die Milch und Einstellung des Fettgehaltes wurden dann Joghurt sowie Vanille- und Schokoladenpudding hergestellt.
Für die Joghurtherstellung wurden zwei in Vorversuchen ausgewählte Starterkulturen eines Kooperationspartners eingesetzt und ihr Wachstum sowohl auf Selektivnährmedien als auch durch real-time PCR-Analysen bestimmt. Es zeigte sich, dass beide getesteten Joghurtkulturen sich in süßkraftverstärkter Milch sehr ähnlich wie in der Kontrollmilch verhielten. Es bestand auch kein Risiko von Kontamination durch Fremdbakterien während der Fermentation und der Lagerung des Joghurts, da sich die Starterkulturen ähnlich wie im herkömmlichen Joghurt durchgesetzt haben. Die Süßkraft der Lactose aus der Milch konnte durch das bi-enzymatische System im Mittel um 80 Prozent gesteigert und der Gesamtzuckergehalt bei gleicher Süße entsprechend um 10-20 Prozent reduziert werden. Insgesamt wiesen die aus der süßkraftverstärkten Milch hergestellten Joghurt- und Puddingprodukte im Vergleich zu den Standardprodukten bei gleicher Süße eine größere Cremigkeit sowie eine stärkere Ausprägung der detektierten Geruchs- und Geschmacksmerkmale auf.
Tabellarischer Vergleich: Laktose und andere Disaccharide
| Disaccharid | Monosaccharid-Bausteine | glykosidische Bindung | reduzierend? |
|---|---|---|---|
| Laktose | Galactose + Glucose | β-1,4 | Ja |
| Maltose | Glucose + Glucose | α-1,4 | Ja |
| Cellobiose | Glucose + Glucose | β-1,4 | Ja |
| Saccharose | Glucose + Fructose | α-1,β-2 | Nein |
Wichtige chemische Hinweise
Bei Disacchariden vom Typ 1 wird die glykosidische Bindung zwischen einem anomeren Kohlenstoffatom und einem anderen Kohlenstoffatom verwirklicht. Bei Disacchariden vom Typ 2 besteht die glykosidische Bindung zwischen 2 anomeren Kohlenstoffatomen. Disaccharide vom Typ 1 wirken reduzierend. Disaccharide vom Typ 2 sind nichtreduzierend. Die offenkettige Form spielt im Rahmen der reduzierenden Wirkung insofern eine Rolle, da nur an ihr eine Ketol-Endiol-Tautomerie stattfinden kann. Tatsächlich ist das bei der Umlagerung von Aldose zu α-Hydroxyketose (und umgekehrt) entstehende Endiol für die reduzierende Wirkung verantwortlich. Dieses Endiol liegt im alkalischen Milieu, welches Voraussetzung für die Reduktion ist, als Endiolat-Ion vor.
tags: #was #ist #lactose #reduzierender #zucker
